JP7191116B2 - 多孔質シリコン量子ドット放射線検出器におけるピクセル定義 - Google Patents

Description

本願は、包括的には撮像に関し、より詳細には、多孔質シリコン（ｐＳｉ）量子ドット（ＱＤ）放射線検出器におけるピクセル定義に関し、コンピュータ断層撮影（ＣＴ）撮像に対する特定の応用を用いて説明される。

コンピュータ断層撮影放射線検出器は、大部分が、フォトダイオード等のソリッドステート光検出器に直接搭載された結晶又はガーネットシンチレータから構成される。シンチレータ材料は、Ｘ線光子による衝撃に応答して光子を生成し、これが次に光検出器において電流又はパルスに変換される。二重エネルギースペクトルＣＴ検出器は、側面に光検出器を有する２つのシンチレータが互いに積層されたものを含み、比較的高価である。シンチレータ層間に光検出器を有する平面バージョンは、シンチレータの中間層を迂回するためのフレックス回路又は複雑な相互接続を必要とする。例えば高コスト、歩留まり及び／又は性能の問題に起因して、テルル化カドミウム亜鉛（ＣＺＴ）又はテルル化カドミウム（ＣｄＴｅ）から作製されたスペクトルＣＴ検出器が限られた用途で利用されている。

多孔質シリコン（ｐＳｉ）膜のカラム内に量子ドット（ＱＤ）放射線吸収材料を含む放射線検出器（すなわち、ＱＤ－ｐＳｉ放射線検出器）が、コストを低下させ、厚みを低減しながら、性能を改善する。ＱＤ－ｐＳｉ放射線検出器は、ピクセルエリアを定義するために、細孔（カラム）においてＱＤと接触することなくＳｉの所定のエリアへ接続することを必要とする。市販のｐＳｉ膜において、カラムはｐＳｉ膜を完全に通って延び、このため、カラム内のＱＤもｐＳｉ膜の一方の側面から他方の側面に延びる。結果として、ピクセルの定義は、所定のサイズを有する導電性コンタクトを適用するか、又は基板上の導電性コンタクトに接触することによって行うことができるが、そのような導電性コンタクトは、ｐＳｉ膜の細孔においてＱＤとも電気的に接触することになる。

本明細書に記載の態様は、上述した問題及び他の問題に対処する。

１つの態様において、撮像システムの撮像モジュールは、第１の側面と、第１の側面の反対側のコンタクト側面と、第１の側面からコンタクト側面に延びるように構成されたシリコンカラムと、シリコンカラムとインタレースされ、第１の側面からコンタクト側面に延びるように構成されたカラム状の孔とを有する多孔質シリコン膜を備える。撮像モジュールは、カラム状の孔内の量子ドットを更に含む。撮像モジュールは、多孔質シリコン膜のシリコンカラムに電気的に結合された金属パッドを更に含む。カラム状の孔内の量子ドットは、金属パッドから電気的に絶縁される。撮像モジュールは、金属パッドと電気的に連通する導電性パッドを有する基板を更に備える。

別の態様において、コンピュータ断層撮影撮像システムは、Ｘ線放射を放出するように構成された放射源と、Ｘ線放射を検出し、このＸ線放射を示す電気信号を生成するように構成された検出器アレイと、電気信号を処理し、体積画像データを再構成するように構成されたリコンストラクタとを備える。検出器アレイは、第１のシリコンカラム、及び第１の量子ドットを有する第１のカラム状の孔を有する第１の多孔質シリコン膜と、第１のシリコンカラムに電気的に結合され、第１の量子ドットから電気的に絶縁された第１の金属パッドと、電気信号を処理し、体積画像データを再構成するように構成されたリコンストラクタとを含むピクセルを含む。

別の態様において、方法は、シリコンカラム及びこのシリコンを通るカラム状の孔を有する少なくとも１つの多孔質シリコン膜を取得することと、カラム状の孔に量子ドットを充填することと、多孔質シリコン膜のコンタクト側面上に量子ドットのための絶縁体を作製することと、シリコンカラムのみを基板に電気的に結合することとを含む。量子ドットは絶縁体を通じて基板から電気的に絶縁される。

本発明のなお更なる態様が、以下の詳細な説明を読み及び理解することにより、当業者には理解されるであろう。

本発明は、様々な構成要素及び構成要素の配列の形態並びに様々なステップ及びステップの配列の形態を取ることができる。図面は、好ましい実施形態を説明するためだけにあり、本発明を限定するものとして解釈されるべきものではない。

ＱＤ－ｐＳｉ放射線検出器を有する例示的なＣＴ撮像システムを概略的に示す図である。 図１のＱＤ－ｐＳｉ放射線検出器のモジュールの一部の例の展開図を概略的に示す図である。 図１のＱＤ－ｐＳｉ放射線検出器のモジュールの一部の例を概略的に示す図である。 図３のＱＤ－ｐＳｉ放射線検出器のモジュールの一部の例の一変形を概略的に示す図である。 本明細書における実施形態による例示的な方法を示す図である。 本明細書における実施形態による別の例示的な方法を示す図である。 本明細書における実施形態による更に別の例示的な方法を示す図である。

以下は、Ｓｉを完全に通って延び、ＱＤを充填された、カラム状の孔を有するｐＳｉ膜を含むＱＤ－ｐＳｉ放射線検出器を有する撮像システムを包括的に説明する。ＱＤは、ピクセルのサイズを定義する金属パッドから（例えば、空隙又は絶縁材料を介して）電気的に絶縁される。１つの例において、この構成は、ｐＳｉによって提供されるコスト低減を保持し、ｐＳｉ／ＱＤ放射線検出器に固有のスペクトル及び空間の同時分解の性能を保つ。

図１は、スペクトル及び／又は非スペクトル撮像のために構成されたコンピュータ断層撮影（ＣＴ）システム等の例示的な撮像システム１００を概略的に示す。撮像システム１００は、固定ガントリ１０２と、固定ガントリ１０２によって回転可能に支持される回転ガントリ１０４とを備える。回転ガントリ１０４は、長手方向軸又はｚ軸１０８を中心に検査領域１０６の周りを回転する。Ｘ線管等の放射源１１０は回転ガントリ１０４によって支持され、回転ガントリ１０４と共に回転し、Ｘ線放射を生成及び放出する。

放射線感受性検出器アレイ１１２は、ｚ軸１０８方向に沿って互いに平行に配列された１つ以上の列を含み、各列は、ｚ軸１０８方向に対し横方向に延びる複数の検出器モジュール１１４を含む。モジュール１１４は、検査領域１０６を横切るＸ線放射を検出し、このＸ線放射を示す電気信号（投影データ）を生成する。モジュール１１４のうちの少なくとも１つは、上面コンタクト１１５と、ＱＤ１１８が充填されたカラム状の孔を有するｐＳｉ膜１１６と、金属パッド１２０と、金属パッド１２０を介してｐＳｉ膜１１６内のＳｉに電気的に結合された基板１２２とを含む。以下でより詳細に説明されるように、ピクセルのサイズは、金属パッド１２０のサイズによって定義される。

同様に以下でより詳細に説明されるように、１つの例において、カラム状の孔は、ｐＳｉ膜１１６全体を通って延び、カラム状の孔内のＱＤ１１８は、金属パッド１２０から電気的に絶縁される。１つの例において、これは、ｐＳｉ平面に接着された別個の基板が、ピクセル内のｐＳｉカラムにのみ接触し、ＱＤには接触しないように、ｐＳｉの平面に対しＱＤが陥没されることを確実にすることによって、又はｐＳｉカラムにのみ接触し、ＱＤには接触しないｐＳｉダイの上にＳｉコンタクト層を配置することにより達成される。前者の場合、凹部は空とすることができるか、又はカラム内のＱＤとの接触を妨げるように絶縁材料を充填することができる。

リコンストラクタ１２４は、１つ以上の再構成アルゴリズムを用いて電気信号を再構成する。１つの例において、１つ以上の再構成アルゴリズムは、１つ以上のスペクトル再構成アルゴリズム及び／又は少なくとも１つの非スペクトル再構成アルゴリズムを含む。１つ以上の再構成アルゴリズムは、１つ以上の異なるエネルギースペクトル、基礎成分及び／又は材料組成に対応するスペクトル体積画像データを再構成する。少なくとも１つの非スペクトル再構成アルゴリズムは、Ｘ線ビームの平均エネルギースペクトルに対応する非スペクトル体積画像データを再構成する。

長椅子等の対象者支持体１２６は、対象者又は物体を乗せ、走査し、かつ／又は降ろすために検査領域１０６に対し対象者又は物体を誘導するために、検査領域１０６において物体又は対象者を支持する。コンピューティングシステムは、オペレータコンソール１２８としての役割を果たし、ディスプレイ、キーボード、マウス等の入力デバイス等の人間が読み取り可能な出力デバイスと、１つ以上のプロセッサと、コンピュータ可読ストレージ媒体とを含む。コンソール１２８に常駐するソフトウェアは、オペレータが撮像システム１００の動作を制御することを可能にする。

図２及び図３は、モジュール１１４の例示的なピクセルを概略的に示す。図２は展開図２００を含む。モジュール１１４は、上面コンタクト１１５と、ｐＳｉ膜１１６と、導電性接続部２０２（例えば、導電性の接着剤及び／又は伝導性接続部）と、金属パッド１２０と、１つ以上の導電性パッド２０４及び１つ以上の導電性ビア２０６を有する基板１２２とを含む。１つの例において、基板１２２は、集積回路（ＩＣ）、特定用途向け集積回路（ＡＳＩＣ）等を含む。

この例において、ｐＳｉ膜１１６は、第１の側面２０８及び第２の（コンタクト）側面２１０を含む。第１の側面２０８は上面コンタクト１１５に隣接し、検査領域１０６（図１）に面し、第２の側面２１０は、導電性接続部２０２に面する。ｐＳｉ膜１１６は、カラム状の孔２１４とインタレースされたＳｉのカラム２１２を含む複数のカラムを含む。ｐＳｉ膜１１６及びこのためＳｉのカラム２１２及びカラム状の孔２１４は、第１の側面２０８から第２の側面２１０まで高さ２１６（約数百ミクロン）を有する。Ｓｉのカラム２１２及びカラム状の孔２１４の幅は約数ミクロンである。

ｐＳｉ膜１１６のカラム状の孔２１４は、第１の側面２０８から、高さ２１６未満の深さ２１８までＱＤ１１８を充填される。ＱＤ１１８から第２の側面２１０までのｐＳｉ膜１１６のカラム状の孔２１４の凹部２２０は、同様に高さ２１６未満の深さ２２４（例えば、最小の実際の深さ）を有する。一般に、深さ２１８及び２２４の合算の結果、高さ２１６となる。１つの例において、凹部は材料のない空の空間である。別の例において、凹部２２０は、二酸化シリコン等の絶縁材料が充填される。

カラム状の孔２１４におけるＱＤ１１８及びＳｉ２１２のカラムにおけるＳｉは、相互作用して、受信したＸ線放射を電子正孔対の生成により電荷（信号、パルス等）に変換する。これについては、参照によりその全体が本明細書に援用される、２０１４年９月２３日に出願された「Ｅｎｃａｐｓｕｌａｔｅｄ ｍａｔｅｒｉａｌｓ ｉｎ ｐｏｒｏｕｓ ｐａｒｔｉｃｌｅｓ」と題する特許出願番号ＥＰ１４１８６０２２．１に更に記載されている。撮像検出器におけるＱＤについては、参照によりその全体が本明細書に援用される、２０１６年８月８日に出願された「Ｑｕａｎｔｕｍ Ｄｏｔ Ｂａｓｅｄ Ｉｍａｇｉｎｇ Ｄｅｔｅｃｔｏｒ」と題する特許出願公開番号ＷＯ２０１７／０２５８８８Ａ１にも記載されている。適切なＱＤは、硫化鉛（Ｐｂｓ）ＱＤ及び／又は他のＱＤを含む。

ｐＳｉ膜１１６は、導電性接続部２０２を通じて金属パッド１２０に電気的に結合される。この結合は、カラム状の孔２１４内のＱＤ１１８ではなく、Ｓｉのカラム２１２内のＳｉを金属パッド１２０に電気的に結合する。なぜなら、カラム状の孔２１４内のＱＤ１１８は、凹部２２０内の空気又は絶縁材料を介して導電性接続部２０２から電気的に絶縁されているためである。金属パッド１２０は、基板１２２上に配置される。電気信号は、ｐＳｉ膜１１６から導電性接続部２０２及び金属パッド１２０を通って基板１２２にルーティングされ、基板１２２において、１つ以上のビア２０６及び１つ以上のパッド２０４を通じて読み出される。

ピクセルのサイズは、金属パッド１２０の表面エリアによって画定される。例えば、示される実施形態におけるピクセルのサイズは、金属パッド１２０と電気的に接触するＳｉのカラム２１２の数によって決まる。より小さなピクセルは、金属パッド１２０が、より少ないＳｉのカラム２１２と電気的に接触する、より小さな表面エリアを有することを要求する。より大きなピクセルは、金属パッド１２０が、より多くのＳｉのカラム２１２と電気的に接触する、より大きな表面エリアを有することを要求する。通常、カラム状の孔２１４のピッチは、約数ミクロンであり、一般的なピクセルサイズは、約数百ミクロンである。

上面コンタクト１１５、ｐＳｉ膜１１６及び基板１２２は、ピクセルエリアを越えて外に、すなわち、金属パッド１２０及び導電性接続部２０２を越えて外に延びる。この例において、第２のピクセルの金属パッド１２０’及び導電性接続部２０２’の部分は、金属パッド１２０及び導電性接続部２０２によって定義されるピクセルの左に示され、第３のピクセルの金属パッド１２０’’及び導電性接続部２０２’’の部分は右に示される。間隙２２６は、近傍のピクセルを電気的に絶縁する。間隙２２６は、空気、絶縁体等を充填することができる。一変形において、ピクセルは端部ピクセルであり、両側に近傍ピクセルを有しない。

図４は、図２及び図３に示すモジュール１１４の一変形を示す。この変形において、ｐＳｉ膜１１６は、ｐＳｉ膜１１６の第１の側面２０８から第２の側面２１０及び基板１２２に延びる、ＱＤの外側カラム４０２を更に含む。間隙４０４は、金属パッド１２０及び導電性接続部２０２をＱＤの外側カラム４０２から電気的に絶縁する。間隙４０４は、空気、絶縁体等を充填することができる。１つの例において、カラム４０２は、ｐＳｉ膜１１６の第１の側面２０８から基板１２２への直接電気接続を提供する。

ＱＤのカラムを通じた電気接続の例は、参照によりその全体が本明細書に援用される、２０１７年１０月２７日に出願された「Ｒａｄｉａｔｉｏｎ Ｄｅｔｅｃｔｏｒ Ｓｃｉｎｔｉｌｌａｔｏｒ ｗｉｔｈ ａｎ Ｉｎｔｅｇｒａｌ Ｔｈｒｏｕｇｈ－Ｈｏｌｅ Ｉｎｔｅｒｃｏｎｎｅｃｔ」と題する特許出願番号６２／４１２，８７６に記載されている。代替的に、シリコン貫通ビア（ＴＳＶ）及び／又は他の手法を、ｐＳｉ膜１１６の第１の側面２０８と基板１２２との間の直接電気接続のために用いることができ、基板１２２においてこの電気接続は１つ以上のビア２０６によって１つ以上のパッド２０４に接続される。

図５は、本明細書における実施形態による例示的な方法を示す。

５０２において、Ｓｉを完全に通るカラム状の孔を有するｐＳｉ膜が得られる。

５０４において、カラム状の孔は、ＱＤを完全に充填される。

５０６において、ｐＳｉ膜のコンタクト側面が、ＱＤを溶解させることが可能な粘性炭化水素と接触して（例えば、粘性炭化水素に浮かべて）配置される。

５０８において、粘性炭化水素が、表面のリガンドキャップされた（ｌｉｇａｎｄ－ｃａｐｐｅｄ）ＰｂｓＳ ＱＤを溶解させる。

５１０において、粘性炭化水素がカラム状の孔に貫入し、内部のＱＤを溶解させ、そこに凹部を生成する。貫入深さは、炭化水素の粘性と、コンタクト側面及び粘性炭化水素間の接触時間とに基づいて決まる。例えば、接触時間が長く、かつ／又は粘性が高いほど、貫入深さが大きくなる。通常、接触時間は所定の期間ｔである。

５１２において、凹部は、標準的な堆積プロセスを介して絶縁材料を充填される。代替的に、凹部は空のままにされる。

５１４において、ｐＳｉ膜のコンタクト側面は、研磨され、表面に結合した材料が除去される。

５１６において、ｐＳｉ膜のコンタクト側面は、導電性の接着剤及び金属パッドを介して基板に電気的に結合される。

図５に関連して説明される非限定的な例示的方法において、任意の溶液処理による固体堆積方法を用いて、細孔を活性材料で充填することができる。一変形において、蒸着／気相成長（例えば、原子層堆積（ＡＬＤ））が用いられる。本明細書において他の手法も検討される。

図６は、本明細書における実施形態による例示的な方法を示す。

６０２において、Ｓｉを完全に通るカラム状の孔を有するｐＳｉ膜が得られる。

６０４において、カラム状の孔は、完全にＱＤを充填される。

６０６において、ｐＳｉ膜のコンタクト側面は、表面ＱＤを機械的かつ化学的に除去する無極性炭化水素系研磨剤で化学機械研磨される。

６０８において、カラム状の孔の露出された端部が、カラム状の孔内のＱＤを除去し、凹部を生成するように化学的にエッチングされる。

６１０において、凹部は、標準的な堆積プロセスを介して絶縁材料を充填される。代替的に、凹部は空のままにされる。

６１２において、ｐＳｉ膜のコンタクト側面は、表面に結合した材料を除去するように研磨される。

６１４において、ｐＳｉ膜のコンタクト側面は、導電性の接着剤及び金属パッドを介して基板に電気的に結合される。

図６に関連して説明される非限定的な例示的方法において、無極性溶媒を用いて、表面ＱＤを機械的かつ化学的に除去する。一般に、ｐＳｉに影響を与えることなく、堆積された材料を再溶解することが可能な任意の溶媒を用いることができる。ＱＤの処理、又は細孔内に堆積された固体の化学的特性に依拠して、これらは、有極性（水、アルコール等）若しくは無極性（ヘキサン、トルエン）であるか、又は化学的に還元／酸化している。

別の実施形態では、溶媒処置及び化学機械処理の組合せを利用して、ｐＳｉ膜の背面を同時に削る。

図７は、本明細書における実施形態による例示的な方法を示す。

７０２において、少なくとも２つのｐＳｉ膜が得られる。

７０４において、ｐＳｉ膜のうちの一方のカラム状の孔には、ＱＤが充填される。

７０６において、ｐＳｉ膜のうちの他方のカラム状の孔には、電気的絶縁体が充填されるか、又は空のままにされる。

７０８において、２つのｐＳｉ膜は、ＱＤなしのｐＳｉ膜の上にＱＤありのｐＳｉ膜がある状態で積層される。

７１０において、積層されたｐＳｉ膜は、導電性の接着剤及び金属パッドを介して基板に電気的に結合される。

上記の技法は、効率性の増大、及び検出器のコストの低減の双方を保持するレベルでの適切なピクセルサイジング及び動作を可能にすることを理解されたい。このため、ＣＴ検出器システムの標準的な構築ブロックへの検出器の組み付けが達成されると、撮像性能は、低減されたコストで従来のＣＴ及びスペクトルＣＴの双方において改善される。これは、医用及び荷物走査用の多エネルギースペクトルＸ線放射線検出器、そのような二重エネルギー医用ＣＴシステム、並びにＱＤ ｐＳｉ放射線検出器が、ピクセル間の内蔵格子としての役割を果たすことができるカラム状の構造を有する位相コントラスト及び暗視野撮像用途、及び／又は分光法等の他の用途に応用される。

本発明は、図面及び前述の説明において詳細に示され、かつ、説明されてきたが、そうした図示及び説明は、説明的又は例示的であって、限定的なものではないとみなされるべきであり、本発明は開示された実施形態に限定されない。開示された実施形態に対する他の変更は、図面、開示、及び添付の請求項の研究から、請求される発明の実施において当業者によって理解され、かつ、成され得るものである。

請求項において、単語「含む、備える」は、他の要素又はステップを排除するものではなく、単数形は複数を排除しない。単一の要素又は他のユニットは、請求項において列挙されたいくつかの項目の機能を満たすことができる。所定の手段が相互に異なる従属請求項において列挙されているという単なる事実は、これらの手段の組合せを有利に使用することができないことを示すものではない。

コンピュータプログラムは、他のハードウェアと一緒に、又は他のハードウェアの一部として供給される光記憶媒体又はソリッドステート媒体等の、適切な媒体上に格納／配布されるが、インターネット、又は他の有線若しくは無線の電気通信システムを介するといった、他の形式において配布されてもよい。請求項におけるいかなる参照符号も、特許請求の範囲を限定するものとして解釈されるべきではない。

Claims (15)

1. 第１の側面、
   前記第１の側面の反対側のコンタクト側面、
   前記第１の側面から前記コンタクト側面まで延在するシリコンカラム、及び
   前記シリコンカラムとインタレースされ、前記第１の側面から前記コンタクト側面まで延在するカラム状の孔
   を備える、多孔質シリコン膜と、
   前記カラム状の孔内の量子ドットと、
   前記多孔質シリコン膜の前記シリコンカラムに電気的に結合された金属パッドであって、前記カラム状の孔内の前記量子ドットは、前記金属パッドから電気的に絶縁される、金属パッドと、
   前記金属パッドと電気的に連通する導電性パッドを含む基板と
   を備える、撮像システムの撮像モジュール。
2. ピクセルを更に備え、前記金属パッドは表面エリアを有し、前記金属パッドの前記表面エリアと電気的に連通する前記シリコンカラムのセットは、前記ピクセルのサイズを定義する、請求項１に記載の撮像モジュール。
3. 前記多孔質シリコン膜と前記金属パッドとの間に配設された導電性接続部を更に備える、請求項１又は２に記載の撮像モジュール。
4. 前記カラム状の孔内の前記量子ドットは、前記導電性接続部から電気的に絶縁される、請求項３に記載の撮像モジュール。
5. 前記カラム状の孔は、前記量子ドットと前記金属パッドとの間の凹部を含む、請求項１から４のいずれか一項に記載の撮像モジュール。
6. 前記凹部は空である、請求項５に記載の撮像モジュール。
7. 前記凹部は電気的絶縁材料を含む、請求項５に記載の撮像モジュール。
8. 前記多孔質シリコン膜は、前記第１の側面から前記基板に延びる少なくとも１つのシリコンカラムを含む、請求項１から７のいずれか一項に記載の撮像モジュール。
9. 少なくとも第２のカラム状の孔を有する第２の多孔質シリコン膜を更に備え、前記第２の多孔質シリコン膜は、前記多孔質シリコン膜と前記金属パッドとの間に配設される、請求項１から３のいずれか一項に記載の撮像モジュール。
10. 前記多孔質シリコン膜は、前記第１の側面上の量子ドットの層と、前記量子ドットの層の上に配設された上面コンタクトとを更に備える、請求項１に記載の撮像モジュール。
11. Ｘ線放射を放出する放射源と、
    前記Ｘ線放射を検出し、前記Ｘ線放射を示す電気信号を生成する検出器アレイであって、請求項１から１０のいずれか一項に記載の撮像モジュールを複数含む、前記検出器アレイと、
    前記電気信号を処理し、体積画像データを再構成するリコンストラクタと
    を備える、コンピュータ断層撮影撮像システム。
12. シリコンカラム及びシリコンを通るカラム状の孔を有する少なくとも１つの多孔質シリコン膜を取得するステップと、
    前記カラム状の孔に量子ドットを充填するステップと、
    前記多孔質シリコン膜のコンタクト側面上に前記量子ドットのための絶縁体を作製するステップと、
    前記シリコンカラムのみを基板に電気的に結合するステップであって、前記量子ドットは前記絶縁体を通じて前記基板から電気的に絶縁される、ステップと
    を有する、方法。
13. 前記絶縁体は空気である、請求項１２に記載の方法。
14. 前記絶縁体は絶縁材料である、請求項１２に記載の方法。
15. 前記絶縁体は別の多孔質シリコン膜である、請求項１２に記載の方法。

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